Ngày 11 tháng 8 năm 1239, sau hai năm thương lượng, vua Louis IX đã mua lại được mão gai của Chúa từ hoàng đế Constantinopolis Baudouin II với giá rất lớn. Năm 1241, Louis IX tiếp tục mua các thánh tích khác từ Byzantium, gồm một mảnh của cây thánh giá và mũi cây giáo. Louis IX quyết định xây dựng giữa Palais de la Cité một công trình xứng đáng với các báu vật đó.

Được thực hiện trong 6 năm, tới năm 1248 công trình hoàn thành. Trong thời gian xây dựng, các thánh tích được lưu trữ ở nhà thờ nhỏ của lâu đài Vincennes. Tác giả có lẽ là kiến trúc sư Pierre de Montreuil, người cũng tham gia công trình nhà thờ Đức Bà và tu viện Saint-Denis. Phí tổn xây dựng Sainte-Chapelle là 32.000 livre, tiền Paris khi đó. Vào cuối thế kỷ 15, trong khoảng từ năm 1485 tới 1498, ô cửa kính lớn hình hoa hồng ở phía Tây được xây dựng lại dưới thời vua Charles VIII.

Vào thời kỳ Cách mạng Pháp, nhà thờ Sainte-Chapelle bị hư hại nặng nề. Các tác phẩm điêu khắc của nhà thờ bị phá hủy. Một số giữ được ngày nay trưng bày ở bảo tàng Cluny và bảo tàng Công trình kiến trúc Pháp. Sang thế kỷ 19, nhà thờ Sainte-Chapelle được hai kiến trúc sư Jacques-Félix Duban và Jean-Baptiste Lassus trùng tu vào năm 1837. Tới năm 1857, kiến trúc sư Emile Boeswillwald hoàn thành công việc sửa chữa nhà thờ Sainte-Chapelle.